1. 研究目的与意义（文献综述）

随着经济全球化的发展，航运已然成为最重要的运输方式之一。而伴随着国际石油危机的爆发以及航运事业的发展，船舶运输行业对于节能问题的研究也是势在必行。因此，合理利用能源，降低燃油消耗量对于提高船舶的经济效益有巨大的意义。船舶轴带发电机由主机主轴驱动发电，利用主机的富余功率达到节能的目的，在运行效率和经济性方面远高于燃烧轻油的发电机，故而采用轴带发电机向全船电力系统供电即为一种十分有效的途径。从 20 世纪 70 年代对轴带发电机系统的初步装船使用至今，轴带发电机系统经历了几十年的发展进步，新型、集成度高、性能优越和大功率的轴带发电机已经受到广泛应用。轴带发电机系统在大型集装箱船、大容量砂船等船舶上广泛应用。轴带发电机有以下突出优点：

1）主推进柴油机以劣质燃油为动力能源，来源方便且效率高，具有较高的经济性。

2）整个轴带辅助发电设备易于维修和保养，减轻了柴油主机组的工作负担。

3）使机舱的空间利用更合理。使用轴带发电机的船舶，通常能提高一个副柴油机组的工作效率，这样就省出了 1 台副机的空间。

4）可降低机舱内的噪声，减少机舱的热源从而改善机舱环境。

同时传统型的轴带发电机系统也存着缺陷：

1）输出的电源电压受主柴油机的载荷影响较大，可能会出现不同程度的波动，对船舶上的用电设备显然不利。

2）轴带发电机难以实现与其余机组长时间的耦合，因为主机的机械特性难以与轴带发电机组达到完全一致。

3）轴带发电机输出功率受限于主机。主机所承受的载荷有可能受外界或者内部因素影响发生突变，这时主机的功率变化就必然影响了轴带发电机系统的输出功率。

尤其的，轴带发电机由主柴油机拖动,无法对原动机的转速进行调节,其转速随海况变化且变化范围较大,轴带发电机输出的电压大小和频率高低随主机转速变化而变化，无法直接并网。

因此轴带发电机主要问题是恒频恒压问题，即端电压的控制问题。

1.2 课题背景（国内外现状）

1.2.1船舶轴带发电机的发展及比较

上世纪 80 年代初船舶轴带发电机系统基本属于无频率补偿型，如日本建造的滚装船系列的主机轴带发电机。这种轴带发电机的供电质量往往受到很多因素的影响，如主机转速变化会引起发电频率波动，而只能短时使用；不能与船舶电站其他柴油发电机进行有效的并联运行。随后出现的在主机推进轴与轴带发电机之间利用机械变速装置进行速度调节，当主机推进轴转速发生变化时，使轴带发电机的转速保持恒定，从而控制轴带发电机系统发电频率稳定性。但是在这种机械式补偿型轴带发电机系统中，主机的当前速度与额定转速差异较大时，机械变速装置的容量将受到限制，故其应用范围也受到制约。

上世纪 80 年代中期，随着电气控制技术的发展，大功率可控硅变流技术被应用到船舶轴带发电机系统中。这种具有频率补偿型轴带发电机系统是由轴带发电机和恒定频率控制装置组成。应用可控硅“逆变”装置及控制系统调节频率，用同步补偿机提供无功功率，维持发电电压的稳定；但是由于装置成本过高、系统的总体稳定性偏弱等因素影响轴带发电系统后续应用的进展。

进入 90 年代初期，大功率全控型器件及模块的出现以及相应控制方法的完善，使得轴带发电机系统在电能质量、能耗、体积、自重和控制性能等方面都得到改善和提高。德国西门子公司在十余艘远洋集装箱船上实现在主机速度变化的情况下，轴带发电机系统向船舶电网提供恒频、恒压的三相交流电源，从而解决了轴带发电机可以和柴油发电机组并联运行的问题。

90 年代后期，DSP（数字信号处理器）的广泛应用和 PWM（脉宽调制）技术的迅速提高，使得大功率有源逆变控制取得很大进步，使其在船舶轴带发电系统得到应用。

21 世纪，随着风电技术迅速发展，双馈发电系统和技术在船舶轴带发电系统中得到广泛应用。

在实物方面，德国西门子轴带发电机系统是当今应用的主流。国内高校包括武汉理工大学、上海海事大学、大连海事大学等均对轴带发电机实物系统有所研究。其中，大连海事大学研制的晶闸管轴带发电机动态模拟系统，已投入正常运行。金陵船厂为瑞典一公司建造的一艘 8000t滚装船，采用了轴带发电机系统。对于轴带发电机系统，国内还处于研究阶段，没有定型产品，控制系统大多由国外引进。

1.2.2轴带发电机端电压控制方法比较及发展趋势

船舶轴带发电机分为定距桨和变距桨型，应用最为广泛的为定距桨频率补偿型轴带发电机。因其主机转速是变化的，经常采用的是带转速补偿装置或频率补偿装置的船用交流发电机组。解决端电压控制的方法多有以下几种：

l）用变流机组稳定供电频率

这种方法是将轴带发电机发出的频率可变的交流电,经由可控硅组成的可控整流电路整流后变换为直流电,供给直流电动机,由直流电动机拖动另一台三相交流同步发电机组发电,经自动电压调节器AVR调节后,向电网提供电压，频率恒定的交流电。控制系统根据测量得到的三相同步发电机实际转速与给定转速的偏差来调节可控整流装置的控制角,从而改变可控整流电路的输出电压,以此来调节直流电动机的输入电压,保证其转速的恒定,如图1-1所示。

2)采用行星齿轮传动系统

主机轴经齿轮藕合到行星变速器,行星变速器的输出轴带动轴带发电机发出三相交流电,频率检测电路检测轴带发电机发出的三相交流电的频率,当主机转速变化进而使行星变速器输入轴转速n变化时,必导致轴带发电机发出三相交流电频率的变化,恒频和调频调载电路将向行星变速器送出补偿转速加或减信号(NIC./DEC.),行星变速器根据此信号改变补偿转速的大小,使行星变速器输出轴转速n恒定,发电机发出的三相交流电频率恒定。如图1-2所示。

图1-2采用行星齿轮传动的轴带发电机系统

3)采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统轴带发电机发出的非恒定频率的交流电经整流器整流后,变换为直流电,供给晶闸管三相逆变器,变换为频率恒定的三相交流电,供给船舶电网这里整流器为可控组成的桥式整流电路,逆变器为可控硅全控桥式电路,按有源逆变状态运行。

相比较得出以下结论：

1.用变流机组稳定供电频率，由于中间增加了直流电动机,所以维护麻烦,效率也低,且造价最高，所以应用较少。

2.行星齿轮传动系统,由于存在液压传动,液压系统的效率不高,一般在85%以下,再加上齿轮传动的损耗,总的效率也不高。

3. 采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统,存在两种旋转机械的损耗,总的效率也受到影响。但目前国内外船舶中，还是主要采用可控硅逆变式轴带发电机。

3. 采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统,存在两种旋转机械的损耗,总的效率也受到影响。但目前国内外船舶中，还是主要采用可控硅逆变式轴带发电机。本课题即拟采用可控硅逆变器式的轴带发电机系统。采用制造简单，可靠性高，响应速度快的静止励磁系统作为励磁形式，利用PID控制原理，对系统输出进行有效调节。

2. 研究的基本内容与方案

2.1.研究基本内容

1.了解现代船舶轴带发电机系统的基本概念及发展动态，分析轴带发电机和柴油发电机控制方式的差异。研究轴带发电机系统的各组成部分。

2.研究船舶轴带发电机工作原理，分别对PWM逆变器子系统和励磁子系统组成及工作原理进行研究。

3.查阅国内外船舶轴带发电机系统的相关资料，建立同步发电机及逆变器数学模型，研究系统的控制策略，对轴带发电机端电压进行有效地调节。

4.在Simulink仿真环境下建立PWM逆变器子系统和励磁子系统，并根据轴带发电机的系统结构建立轴带发电机端电压控制模型，进行变航速和变负载等实验，分析发电机端电压的变化，验证搭建的模型的准确性、控制策略的有效性和轴带发电机端电压的规范性。

2.2研究目标

通过研究同步发电机，逆变器及励磁系统的数学模型，在Simulink仿真环境下建立轴带发电机端电压控制模型，进行变航速和变负载等实验，分析发电机端电压的变化，验证搭建的模型的准确性、控制策略的有效性和轴带发电机端电压的规范性。

2.2.拟采用技术方案及措施

3. 研究计划与安排

1-3周：查阅国内外文献，完成开题报告

4-5周：翻译5000以上汉字的英文资料，翻译基本准确；

6 周：了解船舶轴带发电机系统的主要构成以及技术特点；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]石健将,李荣贵,张平,刘莉飞,杨平西. 基于新型电压电流双闭环控制的轴带发电机pwm整流器研究[j]. 电工技术学报,2014,(06):189-195.

[2]姜玉蛟. 轴带发电机系统建模及主要环节的仿真[d].大连海事大学,2013.

[3]刘以建,许慧敏,李硕,解传辉. 船舶轴带发电机整流器的前馈解耦控制[j]. 上海海事大学学报,2014,(04):63-67.